光伏电池：持续升级，快速进步！

2021-06-21 19:45

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光伏组件：太阳能发电的根基

虽然一片光伏电池已经具备发电能力，但其发电功率太低，无法实际应用。这就要讲到光伏产业中游的最后一环，电池与光伏产业的最小有效发电单位，在光伏电站中承担光电转换的设备——光伏组件。

光伏组件，或太阳能电池板，两者指的是同一个产品，也就是上图中的设备。光伏组件经由电池片串联／并联，并进行封装，随后再安装其它辅材制成。从产业链位置看，光伏组件位于光伏电池与光伏系统之间，是光伏制造业的最终产品。

光伏组件的制备主要包括电池片互联和层压两大步骤：

电池片互联决定了组件的电性能，目前，光伏组件的标准电池片数量为60片或72片，对应以10或12条铜线作为汇流条将其连接起来，6组互联为一个光伏组件。

在电池片互联后，一般需按照钢化玻璃、胶膜、电池片、背板以从下到上的顺序，经过层压的方式封装在一起，背板与钢化玻璃将电池片和胶膜封装在内部，通过铝边框和硅胶密封边缘保护。经过层压处理后，光伏组件的使用寿命可大幅提高，且能显著优化环境耐受性与机械性能。

目前光伏电池两个主要发展趋势，分别是双面组件与半片封装。

所谓双面组件，顾名思义是指使用双面电池的光伏组件，特点是正、反面都具备发电能力。当太阳光照射时，部分光线会被周围环境反射到组件背面，双面组件有能力收集这一部分光能，从而增加发电量。

显而易见，与传统的单面设计相比，双面电池的发电功率更佳，可有效降低电站的平均发电成本。相应的，双面电池的生产工艺也比较复杂，其背面不能使用不透光的常规背板，叠加其它生产工艺导致成本略高。

不过在双面设计的增效增收能力得到验证后，如今下游电站已经逐渐接受这一技术。2020年的双面组件市占率较 2019 年上涨 15．7 个百分点，升至 29．7％，且未来有望持续扩大［3］。

半片封装则是目前的主流封装模式，是指沿着垂直于电池主栅线的方向将电池片切成尺寸相同的两个半片电池片。光伏电池片在发电过程中产生的电流和电池片面积有关，因此相对于整片，半片电池中通过主栅线的电流大小仅约1／2。当半片电池串联以后，单个正负回路上电阻不变，单回路的功率损耗就降低为原来的1／4，从而降低了组件的整体功率损失，同时也减小了组件升温对发电能力的负面影响。

通常情况下，电池组件在封装过程中，会产生被称作CTM（Cell－to－Module Loss）损失的现象，即组件总发电功率小于电池片的总功率之和。因此除了提升光电转换效率外，降低CTM损失也是组件发展思路之一。半片封装在这一点上表现良好，且具备生产工艺相对简单，生产线升级成本低的特点，因此得到广泛应用。

截至2020年，半片封装的市占率已经达到了71％，同比增长50％，一举超过全片封装成为市场绝对主流［15］。

除了上述两种趋势，光伏组件还有众多其它路线，如拼片、叠瓦、无主栅和多主栅等，细分市场比较多。不过这些路线要么仅改变了一些设计细节，要么没有得到广泛应用，或是和当前组装工艺可以相互叠加，作为补充出现，故不再进一步详述。

光伏辅材：不含硅，也重要

要生产一台光伏组件，仅有电池显然是远远不够的，还需要一系列非硅辅材相配合。辅材的性能对组件最终性能同样有着重要影响。

目前常见的组件辅材包括互联条、汇流条、钢化玻璃、胶膜、背板、铝合金、硅胶、接线盒共八种。

从成本端看，辅材中成本占比排名前五的分别是边框、玻璃、胶膜、背板以及焊带。其中边框在非硅成本中占比最高，而玻璃、胶膜以及背板则是光伏组件的核心辅材，对设备的最终性能有重要影响。我们将在接下来的部分，讲解这些辅材及发展趋势。

（图中为2020年数据，不适用于2021年，但整体情况不会有太大变化）

数据来源：广发证券［16］

边框

顾名思义，边框就是光伏组件的外侧框架，在封装后填充硅胶密封，起到固定和边缘保护的作用。目前通用的光伏组件边框为铝制边框，其在各类组件的成本占比均仅次于电池，是成本最高的非硅辅材。

然而铝边框的技术含量很低，成本占比高纯粹是因为其大宗商品的定价模式，下游生产商的议价能力非常低，铝边框产品定价和铝锭基本保持同步，成本压缩空间只能在加工费里找。又因生产门槛低，铝制边框的供应商较多，竞争十分激烈，市场已经充分议价，进一步压缩成本的空间很小。

玻璃

光伏玻璃一般用作光伏组件的封装面板，直接与外界环境接触，其耐候性、强度、透光率等指标对光伏组件的寿命和长期发电效率起核心作用。目前光伏玻璃有三种主要产品形态：超白压花玻璃、超白加工浮法玻璃，以及透明导电氧化物镀膜（TCO）玻璃。

通常来说，硅片光伏组件主要使用超白压花玻璃或超白加工浮法玻璃，一方面可以对太阳能电池起到保护作用，增加光伏组件的使用寿命。另一方面，超白压花玻璃及超白加工浮法玻璃的含铁量相对较低，透光率更高，能够提高组件发电效率。

光伏玻璃的发展主要受上下游驱动，目前的主要趋势分别是增大与减薄。

尺寸增大主要是受上游影响。由于硅片尺寸的逐渐增长，作为封装面板的玻璃板也必须同步增大，方能满足上游需求。但当前行业内能够生产大尺寸玻璃的企业不多，这导致了一定程度的供需错配，助推了玻璃价格上涨。未来如何尽快调整产能，是对生产企业的挑战。

减薄则一是降本需求，二也与光伏组件设计有关。目前，部分双面组件采取的是正反面均用玻璃封装的双玻璃路线，正反双面均使用2．5／2．0mm厚度玻璃，而非传统的3．2mm。这既是为了设备整体减重，也是出于成本考虑。考虑到双面组件渗透率的持续增长，未来光伏玻璃减薄也将持续。

胶膜

封装胶膜材质一般为有机高分子树脂，其直接与组件内部的电池片接触，覆盖电池片上下两面，对电池片起抗水汽、抗紫外等保护作用。目前市场上有三种主流胶膜，分别为透明EVA（聚乙烯－聚醋酸乙烯酯共聚物的简称）胶膜、白色EVA胶膜以及POE（聚烯烃）胶膜。

封装胶膜的发展，同样受下游光伏组件设计影响。虽然两种EVA胶膜仍是主流，合计市占率也接近80％，但其性能逐渐落后于下游需求，无法很好地解决PID问题，因此不适合应用在双面组件上，正在出让市场份额。

PID效应（Potential Induced Degradation）又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象，对光伏电池的使用寿命和转换效率负面影响巨大。

反观POE胶膜，其阻隔性能更加优良，特别适合应用于水汽敏感的技术路线，而水汽正是导致PID效应的元凶之一。因此，随着下游需求的变化，POE胶膜被视为是EVA材料的升级替代品，其渗透率快速提升，在2020年市占率已经达到了25．5％，且未来有望进一步提升［3］。

背板

背板位于太阳能电池组件背面的最外层，保护电池组件免受外界环境的侵蚀，起到耐候绝缘的作用，需具备高水平的耐高低温、耐紫外辐射、耐环境老化和水汽阻隔、电气绝缘等性能。

当前，市面上光伏背板的产品极为庞杂，且缺乏统一的命名标准，行业通常依照是否含氟分为含氟／非氟两大类，并依照加工工艺进一步细分。为减轻读者阅读负担，这里不再对不同工艺做具体解释。

概括来说，市场上使用的背板，主要有K结构、T结构、C结构、玻璃背板、透明有机材料背板，以及其它背板。

K（KPK／KPF／KPE）结构背板仍是市场绝对主流，在2019年的占比为59．5％；同为传统产品的T（TPT／TPF／TPE）结构模板同期市占率则为14％［17］。但此两种背板均不透光，并不符合目前双面电池组件（双面组件详情见下文）的发展趋势，市占率开始萎缩。截至2020年底，K型结构背板与T型结构背板的市占率分别下滑13．7％／3．2％。

相应的，伴随着双面组件市场规模的快速增长，因能透光而被纳入生产的玻璃背板与透明有机材料背板市占率快速上升，较2019年分别增长14．2％／1．5％。在下游组件发展趋势不变的情况下，两者市占率仍将持续增长［3］。

焊带

焊带又称镀锡铜带，指的是在一种在铜带表面涂覆一层均匀厚度锡基的焊料，应用于光伏组件电池片之间的连接，发挥导电聚电的作用。

焊带在非硅成本中的占比虽与背板相近，但其定价接近铝制边框。光伏焊带90％的成本来自作为原材料的铜与锡，这意味着生产成本基本由当期的大宗价格决定。且焊带技术含量同样很低，市场经过充分竞争，议价空间很小。

除了占据前五位的辅材，非硅组件还包括接线盒、封装硅胶等。这些生产材料的价格均比较稳定，技术含量也一般，定价模式类似边框与焊带。概括来说，目前光伏组件的非硅成本下降空间不大，且受大宗商品价格主导，下游生产商的议价能力都不是很强。想要在非硅环节进一步压缩出利润空间，对光伏设备生产商已经很难。

但这不意味着技术迭代的停滞。目前包括胶膜、背板与光伏玻璃在内的三种核心原材料，对下游的产品设计与最终性能仍有重要影响。如何配合电池技术的进步调整产品，仍是核心辅材生产商的重要发展方向。

光伏逆变器：光电上网的最后一块拼图

光伏逆变器，是将光伏组件产生的直流电，转换成频率可调节的交流电的电子设备。由于并网的电源需满足上网的质量要求，逆变器可调整电压波形，用于电网或供负载使用，可直接影响太阳能光伏系统的发电效率，是光伏电上网的必需设备。

按应用场景与功率划分，光伏逆变器可分为集中型逆变器、组串型逆变器与户用逆变器三种。

受应用场景的限定，光伏逆变器市场非常稳定，完全由下游电站决定，几乎不可能发生重大变化。截至2020年底，光伏逆变器市场仍然以集中式逆变器和组串式逆变器为主，集散式逆变器占比较小。其中，组串式逆变器依然占据主要地位，占比为66．5％，集中式逆变器占比为28．5％，集散式逆变器的市场占有率约为5．0％［3］。根据机构预测，这种格局在长期来看，也不会发生太大变化。

光伏发电站：产业的终端

光伏发电站是光伏产业链的最末端。在这一环节，光伏设备最终与电网相连并输送电力，是光伏发电实际应用的场景。

正如光伏组件是将电池片串并联而来，要建设一个光伏电站，首先需要将光伏组件按一定方式组装在一起，并安装支撑结构后构成更大型的直流发电单元——光伏阵列，之后再将大量光伏阵列与光伏逆变器、配电柜等设备，以及中央控制系统连接后，就可建成能够实际投入使用的光伏电站。

与传统发电站类似，光伏电站也分为集中式和分布式两种。市占率方面，截至2020年底，我国大型地面电站占比为 67．8％，占据绝对主流，分布式电站占比则为32．2％［3］。

集中式大型并网光伏电站就是国家利用光能富集的无人地区，如荒漠或丘陵，安装大量光伏阵列集中建设的大型光伏电站。集中式光伏电站的发电直接并入公共电网，接入高压输电系统供给远距离负荷。

集中式光伏电站的主要特点在于运维更为经济，受益于规模效应，发电成本比较低，且发电量大，更能满足电网的接入要求。我国目前主要是集中式电站，多分布于西部光能富集地区。

不过集中式光伏电站的缺点也比较大。我国光能富集区并非高负荷地区，这导致了一定的供需错配，使得电能无法就地消纳，存在一定的弃光弃电现象。同时由于光伏天然存在发电波动比较大的问题，导致集中式光伏电站对电网符合比较大，光电上网一直比较麻烦。

分布式光伏电站则主要是指利用小型空地，或建筑物表面，如厂房、公共建筑屋顶等表面建设的小型发电站，在人口比较稀疏的发达国家占据主流。

分布式光伏电站的优势主要集中在投资小、建设快、占地面积小等方面，且由于与处于用户侧，可以减少对电网的依赖，减少线路损耗。同时，分布式光伏电站还能够实现发电量就地消化，余量再接入电网，相较于集中发电，弃光弃电的问题很小。

分布式电站的缺陷则在于，由于高度分散的特性，对控制系统的要求比较高，在调节与管理上更为复杂。

总结

纵观全文，我们可以发现，光伏产业最核心的发展路径，说白了就是用光电转换效率更高的太阳能电池，发更便宜的电。整个行业从上游硅片的设计，直至下游电站的组建，甚至是中间环节一些非关键辅材的选用，均遵循着这一基本原则。

概括成四个字，就是“降本增效”。若要给两个关键词排个位，则降本还要在增效之前。

与很多人直觉相悖，光伏设备的光电效率其实已经可以做到极高水平，超过40％，是当前主流电池的接近两倍。但这种技术极其昂贵，仅能用在卫星、太空站这种不计成本的设施之上，距离大规模民用、商用非常遥远。

这其实还是一笔经济账：单纯的堆砌性能并不意味着更低的发电成本，在技术的持续进步中找到性价比最优的组合，才是光伏发电能做到平价上网的根源。

当然，发电成本下来了不代表整个行业高枕无忧，目前光伏产业还存在着一些难题。

太阳能虽然拥有取之不尽且无污染的优点，但也存在不稳定的缺陷，受昼夜、天气以及季节影响明显。这在光伏发电直接表现为，包括发电量波动大、对电网稳定性不利、并网难等一系列问题。同时我国还存在光能富集区（西北）远离电力负荷区（东南沿海）的现行，存在比较明显的供需错配，导致光伏发电系统出现“弃光弃电”，造成浪费。

解决这些问题，就需要在光电的储能与并网技术上寻求突破，目前常见的解决方案有光伏制氢、化学储能、就地消纳等——当然，这就属于光伏下游的下游，距离光伏产业链本身已经比较遥远，故不再展开。

总之，还是希望国内光伏产业能借“碳中和”的浪潮进一步发展，尽早让工业生产与普通人都能早日用上来自太阳的清洁能源。

毕竟有充足的电力供应，又能保护地球环境，怎么都不会是一件坏事。

References：

［1］中国光伏行业协会：中国光伏（2020年版）产业发展路线图

［2］隆基股份：隆基绿能科技股份有限公司2020年年度报告

［3］中国光伏行业协会：中国光伏行业2020年回顾与2021年展望

［4］中国光伏行业协会：【年度报告】第二篇：2020年多晶硅产业发展情况：39．6万吨！中国占据全球多晶硅产量3／4以上．2021．06．08

［5］东方证券：光伏组件产业成本构成及降本路径全解．全球光伏．2020．01．16

［6］姚金楠：谁在推动硅料价格一涨再涨？．中国能源报．2021．06．03

［7］高歌：硅料半年涨近150％，光伏行业协会呼吁自觉抵制过度囤货、哄抬物价．经济观察网．202106．10

［8］中国光伏协会：【年度报告】第三篇：2020年硅片环节发展情况．2021．06．11